基于内聚力模型的压裂泵泵头体裂纹扩展规律研究

发布时间：2020-10-27 15:22

　　 现阶段,我国每年探明的油气储量的70%为非常规资源。由于非常规油气具有低孔低渗低压的特点,故广泛采用“水平井+水力压裂”的技术进行开采。压裂泵作为水力压裂技术的核心部分,工作时需要提供大排量、高压力的压裂液。泵头体在交变循环的高压压裂液作用下常发生断裂失效,制约了非常规油气开发进程,如何提高压裂泵泵头体疲劳寿命成为当前的热点研究问题。因此,研究压裂泵泵头体裂纹扩展规律具有十分重要的理论和工程实际意义。本文以5ZB-2800型压裂泵液力端的泵头体为研究对象,以内聚力模型理论为基础,依据泵头体材料的断裂韧度实验,标定了泵头体材料的内聚力参数,系统的研究了单调载荷作用下的启裂载荷、裂纹前缘形貌、损伤分布,编写了循环内聚力子程序,提出了泵头体有限元简化模型,针对压裂泵的工作特性及失效形式,确定了疲劳载荷谱及初始裂纹形式,对泵头体的疲劳裂纹扩展速率、疲劳损伤累积进行了深入地研究。主要研究内容及成果如下:(1)采用双线性牵引分离准则,基于试样裂纹扩展过程中的柔度曲线,得到了30CrNi_2MoV的内聚力模型参数为:断裂能G_c=142.43 kJ·m~(-2),界面强度T_(max)=4019.59 MPa,界面刚度K≥10~6 N/mm~3。(2)单调载荷作用下泵头体材料的启裂载荷与裂纹初始长度呈负相关,与模型厚度呈正相关;裂纹前缘的形貌与模型厚度直接相关,随着厚度的增大,裂纹前缘形状从直线逐渐演变为椭圆形;随着裂纹的继续扩展,裂纹前缘又逐渐向直线演化;裂纹前缘的损伤区尺寸约为1.63 mm,且位于裂纹前缘中部的损伤累积速度快于裂纹前缘两侧。(3)引入疲劳损伤演化方程编写了循环内聚力子程序,对比实验结果验证了子程序的可靠性。结果表明,疲劳裂纹损伤累积速度及疲劳裂纹扩展速率与应力比呈负相关,与峰值载荷载荷呈正相关。(4)位于排出腔的裂纹扩展速度快于位于堵头腔的裂纹,位于裂纹前缘中部的扩展速度最慢;裂纹半径越大,疲劳裂纹扩展速度越快;初始裂纹尺寸小于对应工况下的临界尺寸时,压裂液的压力并不是驱动疲劳裂纹扩展的主要因素。
【学位单位】：长江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE934.2
【部分图文】：

1.1 研究意义及其背景统计，目前我国每年探明的油气储量的 70%为页岩油、页岩气等压等特点的非常规能源。随着美国的非常规油气勘探开发的大力发局于 2016 年印发了我国页岩气发展规划，规划中明确指出水平井多评价及压裂装备的攻关研究为现阶段的重点任务。由于水平井钻井术能够提高非常规油气的采收率，实现稳定增产的目的，因而被普传统的压裂相比，非常规压裂的节奏更快、作业时间更长、工况更压裂设备的疲劳寿命大幅降低。压裂泵是压裂机组中最为重要的设能直接决定了水力压裂作业的成败。泵头体作为压裂泵的关键部件字相贯孔结构的液缸组成。现场调研表明，压裂泵在大排量、高压泵头体单缸内腔相贯线处存在严重的应力集中，由于加工、腐蚀等处可能会存在微小缺陷，上述微小缺陷在交变应力作用下，会逐渐可见裂纹直至泵头体完全贯穿失效，如图 1 所示。

(a) I 型（张开型） （b）II 型（滑开型） （c）III 型（撕开型）图 2-1 基本断裂模式Fig.2-1 Basic fracture models（1）箭头所指方向为构件所受载荷的方向，当载荷方向与裂纹面法向及裂纹展方向垂直时，该裂纹为 I 型断裂模式；（2）当载荷方向与裂纹扩展方向平行且与裂纹扩展方向同向，构件为 II 型断模型；（3）当载荷方向与裂纹面平行但与裂纹扩展方向垂直时，构件为 III 型断裂式。在实际工程中，为了满足不同的需要，构件的结构通常比较复杂，且所受载形式并不单一，因此构件的断裂模式通常认为是上述三种基本类型组合而成的合型裂纹。预测裂纹的扩展及描述裂尖的应力应变场主要有两大理论：一为以线弹性理为基础的线弹性断裂力学，目前线弹性断裂理论已经发展得比较成熟，对于预脆性断裂及裂尖小范围屈服的裂纹扩展问题有很好的效果；另一理论则是考虑

图 2-2 裂纹尖端应力场Fig.2-2 Stress filed of crack tip裂模式的裂尖附近的应力场和位移场在形式上表达：(I) (I)I( )2πσ =θij ijKfr(I) (I)I( )π=θi iru K g )为图 2-2 中的各应力分量；ui(i=1,2,3)代表三个标（I）代表 I 型断裂模式。fij(θ)和 gi(θ)为以近似表达式中，由于存在 r-1/2奇异性，在 r=0实际情况严重不符，因此不适宜用应力值评价子 K 是有限的，且与裂纹尺寸、载荷大小及强度。因此在以线弹性断裂力学为基础的疲劳
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本文编号：2858698